空氣中直接捕集CO2技術研究進展

張 杰，郭 偉，張 博，張榕江，楊伯倫，吳志強

(西安交通大學 化學工程與技術學院 陜西省能源化工過程強化重點實驗室，陜西 西安 710049)

0 引 言

在過去半個多世紀里，人類活動導致全球CO2排放量逐年增加。大氣中CO2濃度由1960年的310×10-6左右增加到2019年的410×10-6，每年全球CO2排放量超過350億t[1-2]。作為溫室氣體的主要成分，CO2排放量增多加劇了全球變暖。據聯合國政府間氣候變化委員會(IPCC)的評估報告顯示，相比于前工業化時期，全球平均溫度上升了0.8～1.2 ℃，如果繼續按照目前的增溫速度不加以控制，2030—2052年全球平均溫度可能提升1.5 ℃[3]。全球溫度上升導致大量冰川融化加快、海平面升高、生態環境發生變化[4]。因此，通過CO2減排等碳中和技術來延緩全球變暖越來越受重視[5-6]。

為了實現碳負排放，生物質能源和CO2捕獲及儲存技術愈發受到重視。空氣中直接捕集CO2(Direct air capture,DAC)是一種通過工程系統從環境空氣中去除CO2的技術，該技術可有效降低大氣中CO2濃度[2]。本文將在介紹DAC工藝的基礎上，重點分析DAC關鍵材料、主要設備以及DAC技術經濟可行性的研究現狀，并對其未來發展趨勢進行展望。

1 DAC發展歷史

1.1 現行CO2減排方法及挑戰

自然界主要通過生物圈和海水2種方式對CO2進行吸收。生物圈中植物利用太陽能將水和CO2轉變為含碳有機物和氧氣來維持大氣中的碳-氧平衡[7]；海水中CO2分壓低于大氣中CO2分壓時，海水會吸收CO2[8]。人類活動排放的CO2處在大氣、海洋、生物圈這一自然碳循環之上，每年海洋和生物圈吸收的CO2約占人類排放總量的45%[9]。但自然界吸收CO2已經不能滿足CO2減排的需求，所以逐漸發展出工業化減排CO2的方法。

CO2工業減排方法主要包括碳捕集與封存技術(Carbon capture and storage，CCS)和碳捕集、利用與封存技術(Carbon capture utilization and storage，CCUS)。CCS技術主要是從排放源將CO2捕集并分離，然后輸送到海洋等地點將CO2封存；而CCUS是將捕集分離出的CO2進行資源化利用[10-11]。這2種技術主要是對以化石燃料為基礎的發電廠、煉油廠、化工廠等大型固定點源排放的CO2進行處理[12-13]。2014年IPCC研究報告顯示，2010年全球溫室氣體排放貢獻中建筑業占比6.3%，交通活動占比14%，工業占比21%，農林及土地利用占比25%，電力和供暖占比24%，其他占比11%[14]。除了工業以及電力行業等固定點源的溫室氣體排放，接近50%的溫室氣體排放源自分布源。為此，亟需一種技術對這些分布源的CO2進行捕集和利用。

1.2 空氣中直接捕集CO2技術的提出

空氣中直接捕集CO2(Direct air capture,DAC)技術是一種回收利用分布源排放的CO2技術，可以處理交通、農林、建筑行業等分布源排放的CO2。DAC是阿拉莫斯實驗室(Los Alamos National Laboratory)的Lackner在1999年為緩解氣候變化而提出的[15]。DAC概念提出以后，由于空氣中CO2濃度明顯低于固定源CO2濃度，研究人員對DAC能否真正可以減少大氣中CO2濃度以及減緩溫室效應產生了辯論[16-17]。隨著科研人員不斷研發DAC的方法和材料，目前DAC技術已被視為一種可行的CO2減排技術。DAC系技術流程如圖1所示[18]，空氣中CO2通過吸附劑進行捕集，完成捕集后的吸附劑通過改變熱量、壓力或溫度進行吸附劑再生，再生后的吸附劑再次用于CO2捕集，而純CO2則被儲存起來。

圖1 DAC系統流程[18]

DAC技術的優勢主要在于可以對數以百萬計的小型化石燃料燃燒裝置以及數以億計的交通工具等分布源的CO2進行捕集處理。此外，與CCS或CCUS這些主要針對固定源捕獲的技術相比，DAC裝置的布置地點具有更大的靈活性。且DAC技術可與CCS技術結合使用，對CCS技術儲存中泄露的CO2進行捕捉[19]。CO2排放量增長趨勢不可避免，合理運用DAC技術可能出現碳“負排放”的情況，極大降低大氣中CO2濃度[20-21]。

2 DAC技術概述

2.1 DAC技術分析

目前，DAC工藝一般由空氣捕捉模塊、吸收劑或吸附劑再生模塊、CO2儲存模塊3部分組成。在空氣捕捉模塊，大多先通過引風機等設備對空氣中CO2進行捕集，再通過固體吸附材料或液體吸收材料吸收CO2。吸收或吸附材料再生模塊主要通過高溫脫附等方法對材料進行再生。CO2儲存模塊主要通過壓縮機將收集的CO2送入儲罐中貯存。現有DAC工藝流程見表1。

表1 DAC工藝流程對比

哈佛大學Keith教授創辦的碳工程公司(Carbon Engineering,CE)構建了以KOH和Ca(OH)2為核心吸收溶液的工藝，并在加拿大進行了中試[22]。CE公司涉及的工藝流程如圖2所示，該工藝主要流程為：① 通過空氣接觸器將大氣中低濃度CO2捕集并由KOH溶液吸收，將CO2轉化為K2CO3溶液；② K2CO3溶液進入顆粒反應器與Ca(OH)2溶液反應后生成CaCO3固體和KOH溶液；③ CaCO3固體進入煅燒爐分解為高濃度CO2和CaO固體，高濃度CO2經過壓縮機變為化工原料進行收集和儲存；④ CaO固體在生石灰消化器中與H2O反應生成Ca(OH)2溶液，為步驟②提供原料。涉及的反應為

(1)

(2)

(3)

(4)

Climeworks公司研發了不同的DAC工藝，其涉及的工藝流程如圖3所示。① 空氣中CO2被吸入過濾器(胺修飾的多孔材料構成)，CO2通過化學鍵結合在過濾器上。② 過濾器上CO2吸附飽和，加熱過濾器到100 ℃，化學鍵斷裂，CO2從過濾器上釋放出來，并作為濃縮的CO2氣體被收集起來[23]。

哥倫比亞大學研究人員Eisenberger創辦的全球恒溫器(Global Thermostat)公司自2010年成立以來一直致力于研發DAC工藝。使用氣流裝置在接觸器表面吸附空氣。每臺接觸器是矩形塔設備，接觸器內嵌的胺吸附劑附著在多孔、蜂窩的陶瓷塊上用以吸附CO2。吸附完成后使用低溫蒸汽(85～100 ℃)對CO2進行脫附收集。Global Thermostat公司宣稱其使用的氨基聚合物吸附劑將整個系統的循環時間縮短至30 min以下。為實現85～95 ℃下吸附劑再生時間不到100 s，使用低于大氣壓的飽和蒸汽作為直接傳熱流體和吹掃氣體[24]。此外，該公司使用空氣接觸器寬度約為碳工程公司的1/65，通過縮短空氣流通距離，從而降低風扇功率，減少能耗。

圖2 CE工藝流程[22]

圖3 Climeworks工藝流程[23]

總體而言，DAC在工業領域的發展還處于初步階段。限制DAC發展的主要因素之一為成本過高，其與部分文獻的傳統碳捕集技術成本比較見表2。在DAC暫無工業數據支撐時，部分研究人員根據熱力學第二定律對CO2捕集效率進行了計算，預估捕獲1 t CO2成本約為$1 000[25]。美國物理學會2011年技術報告估計DAC每捕獲1 t CO2要花費$610。隨著CO2吸收/吸附材料發展以及反應設備更新，成本有所降低，但仍維持在較高價位。為此目前DAC工藝大多以小試或中試為主。

表2 CO2捕集成本對比

2.2 DAC技術關鍵

DAC技術關鍵之一在于高效低成本吸收/吸附材料的開發設計。物理吸附依賴于分子間作用力來吸附CO2，通常發生在吸附劑表面。吸附材料需要吸附劑有高表面積，如以高孔隙率或納米尺寸的材料做吸附劑。物理吸附劑易再生，但由于從空氣中吸收CO2一般在常溫下進行反應，所以物理吸附劑的吸附性和選擇性較差[30]。化學吸附依賴于化學鍵力吸附，化學吸附劑吸附性較強，但由于化學鍵力使得分子結合緊密，在CO2脫附時耗能較大[31]。通過化學反應實現吸收操作，但工藝復雜，吸收效率不高。因此如何開發兼具高吸附容量和高選擇性的吸附材料是DAC技術未來商業化應用的關鍵。此外，從吸附劑中解吸CO2過程也必須簡單、高效、耗能少；吸收/吸附材料能經歷多次循環使用。

DAC技術另一關鍵是高效低成本設備的開發。DAC技術涉及的裝置主要有捕集裝置、吸附或吸收裝置、脫附或再生裝置。就捕集裝置而言，燃煤電廠等固定點源的CO2排放濃度在10%～20%[32-33]，而大氣中CO2濃度在410×10-6左右，遠低于固定點源CO2排放量。所以改進空氣捕集裝置提高CO2捕集率是降低成本的關鍵。對吸附裝置以及脫附裝置的改進和研究至關重要。目前DAC在工業領域涉及較少，所以相關DAC設備研究報道較少。總體而言，對DAC技術進行過程強化以及對工藝系統進行整合優化是降低成本的關鍵。

3 DAC吸收/吸附材料研究進展

工業上捕集CO2方法很多，應用較廣的有物理吸收、化學吸收等吸收分離法，變溫吸附、變壓吸附等吸附分離法，膜分離等方法。捕集CO2方法種類繁多，但有些方法主要適用于吸收電廠等固定源排放的CO2，而空氣中CO2濃度約為固定源排放CO2濃度的1/300，一些方法并不適用于DAC工藝。研究人員對DAC工藝涉及相關材料的研究要集中在堿性溶液、分子篩及金屬有機框架、胺類吸附材料等[34]。

3.1 堿性溶液

Keith等[17]于2006年提出使用NaOH和CaO作為DAC吸收劑，并對系統成本進行預估，捕集1 t CO2成本在$500左右。涉及的主要反應有

(5)

(6)

(7)

(8)

Zeman等[35]設計的DAC系統使用了過濾裝置，在CaCO3煅燒前先去除水分，將系統總體耗能降為442 kJ/mol(以CO2計，下同)，明顯低于Keith提出的系統耗能679 kJ/mol。NaOH與CaO為吸附劑的體系便宜、相對無害，DAC工藝涉及的設備均可以用現有設備改裝[17]。但CaCO3煅燒溫度在700～900 ℃，系統能耗較高。

針對能耗較高的問題，Mahmoudkhani和Keith等[36]研發了一種新的DAC吸收劑，使用NaOH溶液和三鈦酸鈉Na2O·3TiO2對CO2進行捕捉。該系統通過NaOH吸收CO2生成Na2CO3溶液，Na2CO3溶液除水變為固體，Na2CO3與Na2O·3TiO2反應生成五鈦酸鈉4Na2O·5TiO2和高濃度CO2。五鈦酸鈉與水反應再生為三鈦酸鈉，捕捉1 mol CO2耗能為150 kJ。涉及的主要反應為

(9)

(10)

(11)

系統整體耗能較小，但反應(10)的反應溫度為850 ℃，反應(11)的反應溫度為100 ℃。反應溫度變化700 ℃，反應過程中對反應物和產物加熱和冷卻的能量需求較大，對有效傳熱的要求更嚴格。

CE公司采用KOH和Ca(OH)2溶液吸收CO2，主要分為2個循環(圖2)。左側循環通過KOH等對CO2進行吸收，吸收的CO2轉移到碳酸鹽溶液中；右側循環通過對CaCO3煅燒和CaO水合進行Ca(OH)2再生[22]。

堿性溶液用于DAC的優勢在于反應原料成本低，但再生階段需要反應溫度較高，能耗較大。研究人員希望尋找一種結構穩定且能在較低溫度范圍內再生的材料，從而降低DAC成本[30]。

3.2 分子篩及金屬有機框架

物理吸附主要是利用吸附劑與空氣各組分之間范德華力不同吸附分離CO2。物理吸附劑在低溫和高壓條件下進行吸附，在高溫和低壓條件下進行脫附[37]。物理吸附一般發生在吸附劑表面，大多是高比表面積和高孔隙度的多孔性物質[38]。相關研究人員研究了沸石分子篩和金屬有機框架(Metal-organic frameworks,MOFs)用于DAC的吸附性能。

沸石分子篩是一種多孔結晶硅鋁酸鹽，CO2吸附效率主要受孔隙結構中陽離子大小、電荷密度和分布的影響[39]。沸石分子篩屬于一種極性吸附劑，對極性強或不飽和分子有較強的吸附能力，而對非極性分子中易極化的極化率較大的分子也容易吸附。CO2分子由于碳氧鍵的極性以及氧原子的孤電子對存在，致使其與沸石分子篩有強烈的吸附作用，從導致吸附量增加[40]。Kumar等[30]和Madden等[41]在23.4 ℃、相對濕度49%的模擬空氣條件下，對不同類型分子篩進行12 h的DAC連續測試。結果表明，分子篩13X對CO2吸附量為1.5 mg/g，低于Mg-MOF-74以及TEPA-SBA-15，但在101 325 Pa的純CO2中，13X穩定性遠高于Mg-MOF-74等吸附材料。5A沸石分子篩在極低的CO2分壓下結構穩定、吸附能力強，可被應用到吸附床中捕獲低濃度CO2[42]。Stuckert等[43]測試了Li-LSX、K-LSX及NaX沸石的DAC性能，發現Li-LSX的CO2吸附容量是NaX的2倍，且明顯高于其他沸石。此外，Li-LSX的CO2吸附熱為-51 kJ/mol，K-LSX和NaX吸附熱則分別為-43和-40 kJ/mol。Wilson等[44]發現低Si/Al八面沸石分子篩更適用于DAC工藝。

沸石分子篩較好的結構穩定性在DAC領域受到關注，但面臨的主要挑戰在于水分存在時CO2吸收能力下降。為此需要對空氣進行干燥，這將增加系統的復雜性和運行成本[45]。由此，部分研究人員提出將MOFs用于DAC技術。MOFs作為一類通過有機配體和金屬中心自組裝的有可調節孔徑的材料，具有比表面積大、孔隙率高、結構及功能多樣等優勢[46-47]。目前主要有2種方式來提高MOFs材料對CO2的吸附能力，一種是通過負載胺類化合物提高吸附部位與CO2分子的親和能力；另一種是通過調整孔徑以及活性位點的分布構建特殊的幾何通道吸附更多的CO2[48]。研究人員探究了SIFSIX系列材料的DAC性能。溫度298 K、CO2分壓10 132.5 Pa時，SIFSIX-2-Cu吸附CO2的能力為1.84 mmol/g，SIFSIX-3-Zn吸附CO2的能力為2.05 mmol/g[49]。Shekhah等[50]指出SIFSIX-3-Cu的孔徑為0.35 nm，SIFSIX-3-Cu的孔徑為0.348 nm，通過CO2在298 K的吸附等溫線測得兩者BET比表面積分別為300和250 m2/g。溫度25 ℃、CO2濃度為400×10-6時，SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-3-Zn的CO2吸附能力分別為1.24和0.13 mmol/g，且在穿透試驗中SIFSIX-3-Cu展現出更好的吸附選擇性。溫度23.4 ℃、CO2濃度400×10-6時，銅基MOFs材料HKUST-1的CO2吸附能力為0.05 mmol/g[30,51]。研究人員為了提高MOFs對低分壓CO2的捕集能力，采用金屬離子(Zn、Cu、Mg等)構建具有不飽和金屬位點的MOFs材料，以增強對CO2的吸附。但現有MOFs以及其他物理吸附材料對于空氣中CO2的吸附選擇性不高，難以滿足DAC的要求。未來還需要進一步開發不同的MOFs材料提高對空氣中CO2吸附選擇性[41]。常見的分子篩及金屬有機框架材料的DAC性能見表3。

表3 部分物理吸附材料對CO2的吸附容量

3.3 胺類吸附劑

MOFs材料用于DAC時易受到N2及H2O的影響，研究人員進一步考慮使用胺類負載的固體吸附劑從空氣中捕集CO2[52]。胺類吸附劑在固定源CO2捕集領域的應用較為成熟，早在1930年相關人員使用有機胺溶液捕集分離CO2[53]。但直接使用胺溶液分離CO2時，吸附劑再生時溶液蒸發導致熱量損失嚴重。為了降低能耗，嘗試使用固體胺吸附劑進行CO2捕集。固體胺吸收CO2的原理在于其中的氨基與CO2反應生成氨基甲酸鹽離子。水存在時，胺與CO2生成碳酸氫銨，反應方程[54-55]為

(12)

(R1= R2=CH2CH2OH)。

(13)

固體胺類吸附劑通過將有機胺在載體內高度分散，不僅可以同時對CO2進行吸收和吸附，還能通過設計不同的載體結構和形貌以及選擇不同的有機胺來提高捕集CO2的能力。因此固體胺類吸附劑在CO2捕集領域展現了極高的應用潛力。

目前，固體胺類吸附劑制備可以分為以下3類(圖4)[56]：第1類基于物理浸漬法制備，第2類通過硅烷鍵共價束縛，第3類通過原位聚合直接共價束縛[56-57]。

第1類胺吸附劑通常是將固體材料浸漬于有機胺溶液中，活性組分貯存在材料孔道內部，經過蒸發溶劑、干燥活化制得[58]。通過浸漬法可以將多種含胺物質負載在固體載體上，常見的有機胺包括單乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、三乙醇胺(TEA)以及聚乙烯亞胺(PEI)等。但由于DAC多采用變溫吸附工藝，需要一種相對揮發分較低的胺類物質來減少吸附劑再生期間吸附劑的降解以及胺的損失[52,59]。低分子量的PEI在變溫吸附中具有較高的胺基密度且再生時耗能低，是用于DAC性能研究的主要含胺聚合物[60]。

Choi等[61]率先開展了將PEI浸漬的固體胺吸附劑用于DAC的研究，通過將45.1%的PEI浸漬在SiO2上(氨基負載量為10.5 mmol/g)，在25 ℃、CO2濃度400×10-6條件下得到CO2吸附量為2.36 mmol/g，經過4次吸附及解吸后吸附量降低為1.65 mmol/g。Chaikittisilp等[62]將37.2%的PEI負載在介孔γ氧化鋁上，25 ℃、CO2濃度400×10-6條件下對CO2吸附量為1.33 mmol/g，而將39.9%的PEI浸漬在SBA-15上對CO2的吸附量為1.05 mmol/g。通過105 ℃蒸汽對吸附劑進行超過24 h的脫附再生后發現，負載在介孔γ氧化鋁上的吸附劑較初始CO2吸收能力損失了25.2%，而負載在SBA-15上的吸附劑再生后損失了81.3%的CO2吸收能力；PEI負載在介孔γ氧化鋁上不僅展現出更好的吸附容量，還在吸附脫附的循環試驗中展現出更好的穩定性。Kuwahara等[63]通過將Zr摻入SBA-15中改變載體的酸堿性質，從而提高對CO2的吸附特性。在25 ℃、CO2濃度400×10-6條件下，PEI/SBA-15的CO2吸附能力為0.19 mmol/g，而摻混Zr的PEI/Zr-SBA-15吸附能力為0.85 mmol/g。Goeppert等[64]將PEI負載在氣相二氧化硅(FS)上用于測試DAC性能，研究發現在25 ℃、CO2濃度400×10-6條件下，PEI負載量分別為33%和50%時，CO2吸附能力分別為1.14、1.68 mmol/g；在85 ℃空氣流中進行4次脫吸附/解吸循環后發現二者吸附能力無明顯下降。Chen等[65]采用樹脂負載PEI并測試其DAC性能，在25 ℃、CO2濃度400×10-6條件下，CO2吸附能力為2.26 mmol/g。第1類胺吸附劑由于制備方法簡單，有望能大規模制備并應用DAC領域[57]。但由于通過浸漬法制備，胺組分吸附在載體表面，并未與載體通過化學鍵結合，在經過幾次吸附/脫附循環后對CO2的吸附能力明顯降低[52]。為此，研究人員提出采用化學接枝方式進行胺吸附劑制備，希望獲得在吸附/脫附循環中結構穩定且吸附容量更高的胺類吸附劑[66]。

第2類胺吸附劑是通過化學接枝法使胺基連接到載體表面，一般利用氨基硅烷偶聯劑的硅烷鍵和SiO2基固體表面上的硅羥基間的硅烷反應實現[34]。相比于第1類吸附劑，第2類吸附劑可以將氨基更加均勻分散在載體表面，且由于化學鍵不易破壞，通過化學接枝法制備的吸附劑一般具有更高的耐熱性，不僅增加了單位面積上的CO2吸附活性，還延長了高溫下吸附劑的使用壽命。但由于材料表面的硅羥基數目有限，使得接枝氨基的數量減少，CO2吸附容量低于第1類吸附劑[57,66]。

Belmabkhout等[67]用3-[2-(2-氨基乙氨基)乙氨基]丙基三甲氧基硅烷(TRI)化學接枝在擴孔后的介孔二氧化硅PE-MCM-41上制得TRI-PE-MCM-41，在25 ℃、CO2濃度400×10-6條件下，CO2的吸附能力為0.98 mmol/g。通過穿透試驗發現，CO2濃度較低時，TRI-PE-MCM-41對CO2的吸附選擇性高于對N2、O2和H2O的吸附選擇性。Didas等[68]用3-氨丙基三甲氧基硅烷(APS)化學接枝在泡沫狀介孔二氧化硅(MCF)上進行DAC測試，在25 ℃、CO2濃度400×10-6條件下，CO2的吸附能力為0.54 mmol/g；相比于仲胺和叔胺，伯胺展現出更高的CO2吸附容量。Lashaki等[69]用3-[2-(2-氨基乙氨基)乙氨基]丙基三甲氧基硅烷(TRI)化學接枝在介孔分子篩SBA-15上進行DAC測試，在6個不同孔徑和壁內孔體積的SBA-15載體中，大孔徑和高壁內孔體積對CO2吸附產生積極影響，CO2吸附量最高達到1.88 mmol/g。

第3類胺吸附劑是將共價結合的聚合胺整合到固體載體上，這類吸附劑富含胺，相比于前2類胺吸附劑具有更好的吸附能力。同時胺基團的共價束縛使其具有更好的再生性[70]。Choi等[52]通過氮丙啶在多孔載體上開環原位聚合生成超支氨基二氧化硅(HAS)，CO2濃度由10%降至400×10-6時，HAS的CO2吸附容量由3.77 mmol/g降到1.72 mmol/g。CO2濃度為400×10-6時，HAS上胺負載量由2.3 mmol/g增至9.9 mmol/g，CO2吸附容量也由0.16 mmol/g增至1.72 mmol/g。部分胺類吸附劑及其吸附容量見表4。

表4 部分胺類吸附劑對CO2的吸附容量

總體而言，堿性溶液吸附CO2時反應原料成本相對低廉，但堿性溶液再生過程中耗能較高。分子篩及金屬有機框架吸附劑雖然再生耗能較低，但對空氣中CO2的吸附容量和吸附選擇性表現一般，導致其難以滿足DAC要求。胺類吸附劑不僅展現出較好的吸附能力，由于其再生溫度較低，可使用工業廢熱或少量熱能為系統供能。使用胺類吸附劑時吸附和解吸在一個單元中逐步發生，將吸附或解吸集中在一個單元中，具有更高的效率和操作時間，有望降低系統成本。

除了以上3種吸附材料，以季胺型陰離子交換樹脂為吸附劑的濕法再生吸附也頗受關注。該方法依賴于吸附劑的強堿性和親水性，主要通過改變環境水汽壓力，在干燥態對CO2進行吸附，濕潤態對CO2進行脫附[71-72]。孫軼敏等[73]分析了I-200型陰離子交換樹脂的材料特性以及不同溫度下空氣中CO2的吸附量和吸附反應動力學。吳禹松[74]探究了多孔樹脂型吸附劑對空氣中CO2的吸附容量以及吸附速率，并對吸附熱力學性能和動力學性能進行研究。相比于其他方法，濕法再生在熱力學方面突破了常規變溫/變壓吸附的高能耗限制等問題，但目前仍缺乏吸附容量良好的吸附劑，吸附動力學也有待進一步研究[75]。

4 DAC工藝的經濟性分析

目前DAC是處于商業初期的相對較新的創新技術，進行大規模應用的經濟性評估尤為重要[18]。基于高溫水溶液吸收和低溫固體吸附的不同路線的DAC資本支出幾乎處于同一水平，但低溫固體吸附由于對熱量需求低，有利用廢熱降低成本的潛力，被認為是更有應用前景的選擇[76]。

在DAC早期開發階段時，Keith等[17]基于DAC所需能源以及土地面積，預估了氫氧化鈉水溶液進行CO2捕獲的成本在500 $/t以下。美國物理學會(APS)對DAC技術進行評估，以NaOH水溶液為吸收劑估算了每年從空氣中捕獲100萬t CO2技術的成本約為610$/t。Zeman等[77]基于APS的評估報告進行研究，發現減少發電過程中煤炭的使用并在空氣接觸器上減少塑料包裝材料可能對降低DAC成本有重要影響，碳捕獲成本將從610 $/t降至309 $/t。Keith等[22]使用KOH為吸收劑，對DAC工藝涉及的原有裝置進行改進，碳捕獲成本降至94～232 $/t。2018年美國國家科學院負排放技術報告中，預估了未來10 a使用固體吸附劑DAC的成本在88～228 $/t[78]。由于DAC系統復雜，影響成本因素過多，不同經濟評估方法成本不同。總體而言公司成本估算值通常低于文獻中成本估算值[78]。不同時期部分關于DAC成本評估見表5。

表5 DAC成本評估

DAC的經濟性分析對降低DAC成本至關重要，因此需要準確度高、適用范圍廣的模型來進行經濟成本預估。基于此，Azarabadi和Lackner等[78]2019年提出了一種適用于DAC系統的技術經濟模型估算方法。對于DAC領域的多數吸附劑，該模型可根據CO2市場價格以及吸附劑吸附周期、負載量和降解速率等吸附劑特性來評價其價值。DAC系統的凈現值NPV0可用式(14)進行估算。

NPV0=Nrev-(NQ&M+Nbop+NS)，

(14)

式中，Nrev為吸附劑產生總收益的現值；NQ&M為運營和維護成本；Nbop為工廠設備的凈成本；NS為吸附劑材料成本。

在凈現值估算中，DAC成本主要包含運營和維護成本(NQ&M)、吸附劑材料成本(NS)和工廠設備的凈成本(Nbop)。其中NQ&M包括吸附劑裝載和卸載時使用的能源、材料以及維護成本。NS包含吸附劑的價格VS以及安裝相關成本IS。Nbop為設備初始購買價格Vbop與其折舊后的價值差。吸附劑單位時間內產生的收益現值可用式(15)表示，考慮到吸附劑最大使用時長為tlife，對式(15)積分得到總的收益現值為式(16)。

(15)

(16)

總體而言，DAC成本隨著吸附劑和工藝的發展不斷下降。某些用于DAC吸附的陰離子交換樹脂的成本降至3$/kg，商業化MOFs成本能達到50～70 $/kg，而大規模生產后成本可能降至10 $/kg，雖然這些材料要經過結構調變才能獲得很好的吸附容量，但已經展現出巨大的應用前景[79-80]。未來隨著吸附材料的發展以及吸附劑壽命和穩定性的提高，DAC成本會進一步下降。

5 結語與展望

自Lackner于1999年為了緩解氣候變化提出DAC技術以來，DAC是否可行一直廣受爭議。但隨著技術日益發展和工藝逐漸完善，國外公司基于堿性溶液和胺類吸附劑對DAC規模化應用的初步探索以及國內學者基于濕法再生吸附技術進行的試驗研究都表明，DAC在助力碳減排和實現碳中和方面具有巨大的應用潛力。總體而言，國內外學者對DAC進行了初步探索并嘗試規模化設施的運行，未來關于DAC的研究需進一步關注以下方面：

1)進一步開發低成本、高通量、高選擇性的DAC吸附/吸收材料，探索胺類等新型吸附劑對低濃度CO2的吸附能力，開展DAC吸附/吸收材料穩定性、壽命及循環性能長周期測試，為后續DAC技術規模化應用奠定基礎。

2)研發能夠快速裝載和卸載吸附劑的DAC相關設備，提出適用于DAC工藝的過程強化技術，并開發基于不同吸附劑的高效工藝，對工藝系統進行整合和優化，并構建出成本低廉、裝置簡易的DAC工藝系統。

3)結合生命周期評價等手段，開展不同時間和空間尺度范圍DAC工藝與可再生能源系統耦合的技術經濟性評價和碳減排潛力分析，為減少全球碳排放、實現碳中和提供重要技術支撐。